可再充电电化学金属离子电池和包含该电池的蓄电池制造技术

一种可再充电的电化学金属离子电池，包括：‑负极(阳极)(1)；‑正极(阴极)(2)；‑介于负极和正极之间的电解质体系(3)，其中，‑负极(1)包含至少一种能够释放和接受金属离子的金属；‑正极(2)包含至少一种能够释放和接受与负极(1)的金属离子不同的金属离子的化合物；‑电解质体系(3)包括：‑包括包含在负极(1)中的金属的盐和包含在正极(2)中的金属的盐的乙二醇基电解质溶液；‑适于保持电解质溶液的固体和/或聚合物和/或凝胶类型的基质，其中在电池中同时发生两个可逆反应：在负极(1)中发生包括在负极中的金属的离子的可逆沉积和溶解过程，并且在正极(2)中发生包括在正极中的金属的可逆离子交换过程，并且所述金属彼此不同。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及电能蓄电池，或二次电池，或更通常地可再充电电池的领域。更具体地，本专利技术涉及一种具有金属离子的可再充电电化学电池，其适于用于生产具有相对于
技术介绍
的创新特征的金属离子蓄电池。
技术介绍
电池是存储化学能的装置；然后根据需要将该能量作为电能被提供，以在给定的时间段期间操作设备，例如用于供应电子设备或电动机，特别适用于运输工具和汽车。电池通常由一个或多个电化学电池构成，每个电池包含阴极(正极)，阳极(负极)和电解质体系。可再充电电池，也称为电能蓄电池或二次电池，是电化学装置，其中化学能转换成电能，反之亦然，其中电荷可通过从外部源施加合适的电能而恢复。这些电池包括例如铅-酸、镍-镉、镍-金属氢化物、碱性和锂离子电池。特别地，锂离子电池的特征在于高的比能、高效率、无“记忆效应”、以及高使用时间。锂离子电池特有的这些性质使得它们特别普遍用于移动电子消费品，例如蜂窝电话、便携式计算机、数码相机、MP3播放器等。在常规电池中发生的充电和放电过程的示意图如图1所示(现有技术)。锂离子电池最常规的组合物包括基于石墨101的阳极100(负极)、基于锂金属氧化物的阴极200(正极)，锂金属氧化物通常为锂钴氧化物，LiCoO2，其中阳极和阴极由电解质体系300分离，电解质体系300由主要为碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯的非质子有机溶剂的混合物中的锂盐(通常为六氟磷酸锂，LiPF6)组成。传统的锂离子电池通过锂离子Li+，在有机电解质介质中，在阳极和阴极之间的可逆传输进行充电和放电，随后进行电子交换。特别地，该离子在放电期间从阳极移动到阴极，并且在充电期间从阴极移动到阳极。必须注意，仅锂离子Li+参与充电/放电反应。为了确保锂离子电池技术的发展，还考虑到在新兴市场中的应用，例如在基于不连续能源(例如太阳能和/或风能)的发电厂中的储能以及电动汽车和/或混合动力汽车的可持续道路运输，必须更新这些电池的电化学系统，以便增加它们的能量含量和安全水平，并降低它们的成本。在传统的LiCoO2的替代阴极材料中，已知的有LiM1M2O4类型的化合物，其中M1和M2是选自Mn，Ni，Fe，Co，P的金属或其组合。典型的例子是镍锰尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4和磷酸铁锂LiFePO4。关于替代石墨的阳极材料，已知有锂合金形成的化合物，例如LixSn，LixSi，LixSb。此外，替代液体有机系统的电解质体系也是已知的，例如那些基于吡咯烷鎓的室温熔盐(离子液体)或基于聚环氧乙烷(PEO)或聚偏二氟乙烯(PVdF)的固体的或凝胶的聚合物。然而，在这些情况下，电解质体系嵌入的单一金属离子，其是参与电化学过程的唯一金属离子。关于锂离子蓄电池的材料的现有技术广泛地涉及它们在常规系统中的用途，其用于电解质(有机液体溶液或聚合物)和阳极材料(石墨或其它)的使用。然而，这些系统的不利特征在于存在引起操作风险(电池的安全性)的可燃性有机材料(电解质)以及与原型的加工及其操作相关的高成本。原型的制备实际上必须在湿度和氧含量方面极度受控的环境中进行，其必须保持在百万分之几的水平。它们的操作受到对大气剂的极端敏感性的影响，这可能引起火灾，并且在极端条件下也会引起爆炸。影响成本的其他因素与通常用于商业化锂离子电池的溶剂和有机电解质的生产有关，并且需要使用复杂的电子系统(例如BMS，电池管理系统)来控制单个电池的充电，以及几个电池的同步均衡。因此，目前的锂离子电池的主要缺点在于所使用的电解质体系。此外，当前技术不允许生产其也是安全的、适于存储大能量的、能够补偿白天和晚上之间电网的能量需求的差异的大尺寸锂离子电池。这是由于普通有机电解质与制造电极的材料的高反应性，这导致严重的安全问题，特别是在制造大尺寸锂离子电池的过程中。文献TAKEGAMIETAL：“AqueousLithiumIon-ZincSecondaryBattery”，DENKI-KAGAKKAI-74.-TAIKAI：MARCH29-31，2008，ELECTROCHEMICALSOCIETYOFJAPAN，JP，no.10，1January2006(2006-01-01)，pages825-827，XP008163301，ISSN：1344-3542公开了由两个耦合的独立半电池(阳极和阴极系统)组成的可再充电电化学电池，其中负极侧(Zn)和正极侧(LiMn2O4)物理分离。两个半电池实际上分别表征为不同的酸性和碱性条件，即不同的pH，这使得它们的相互分离是必要的。特别地，通过用聚酯纤维和塑料材料的无纺布制成的隔板方式来实现分离。专利技术目的本专利技术的目的是克服上述缺点，并在安全性、操作和成本显著降低方面获得绝对的改进。这种改进是通过同时利用特别是包含大量地保持上述乙二醇基电解质溶液的固态介质和/或聚合物介质和/或凝胶介质的乙二醇基电解质体系替换当前使用的非质子有机电解质，以及利用没有进一步保护的基于空气稳定金属的锂替代基于负极的锂来实现的，。从反应机理的观点(以下定义的混合物，因为它同时涉及不同性质的离子)和制造的观点(涉及电池的生产和组装)来看，这些修改意味着根本的改变。另一个目的是生产新型的金属离子电能蓄电池(可再充电电池)，使得其适合于累积随后要使用的能量，例如在生态可持续系统中，如基于不连续能源(太阳能和/或风能)的发电厂和例如具有电动汽车和/或混合动力汽车的可持续公路运输。通过可再充电的电化学金属离子电池实现该目的，该电池包括：-负极(阳极)；-正极(阴极)；-介于所述负极和所述正极之间的电解质体系，其特征在于：-所述负极包含至少一种能够释放和接受金属离子的金属；-所述正极包含至少一种能够释放和接受与负极不同的金属离子的化合物；-所述电解质体系包括：-基于包含在负极中的金属的盐和包含在正极中的金属的盐的乙二醇类电解质溶液；-适于保持所述电解质溶液的固体和/或聚合物和/或凝胶类型的基质，其中在所述电池中同时发生两个可逆反应：在所述负极中发生包括在负极中的金属的离子的可逆沉积和溶解过程，并且在所述正极中发生包括在正极中的金属的可逆离子交换过程，并且所述金属彼此不同。有利地，基于乙二醇的溶液保证增加对许多盐的溶剂溶解能力，远大于所使用的非质子有机溶剂的溶解能力，并且还表现出高的电解质电导率和足够的离子迁移数。这些要求对于保证电极的令人满意的使用、对增加电流的充分响应和高能量密度是必要的。与具有非质子电解质或基于聚醚的系统(例如PEGDME)的已知锂基或锌基的系统相比，本文提出的混合电池以相对低的电压操作。锂电池通常在3V和4V之间操作，而本专利技术的电池在1V和2V之间操作。该相对低的操作电压被表征本文所述电池类型的特性所抵消，例如高电解质电导率、允许对增加的电流和低极化值的足够的电化学响应的离子转移数。通过将选择的电极与乙二醇基电解质体系的组合，在所提出的系统中保证了这些性质。本专利技术的其它特征包含在从属权利要求中。专利技术的优点与现有技术的金属离子电池不同，本专利技术的电池同时利用两种不同的可逆反应，即引起属于正极的金属离子交换的可逆反应，例如在常规锂离子电池中发生的，以及不同于前述金属的属于负极的金属离子的沉积和溶解的可逆反应，与锂电池负极中发生的情况相反，该锂电池负极中交换的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可再充电的电化学金属离子电池，包括：‑负极(阳极)(1)；‑正极(阴极)(2)；‑介于所述负极和所述正极之间的电解质体系(3)，其特征在于：‑所述负极(1)包含至少一种能够释放和接受金属离子的金属；‑所述正极(2)包含至少一种能够释放和接受与负极(1)金属离子不同的金属离子的化合物；‑所述电解质体系(3)包括：‑包括包含在负极(1)中的金属的盐和包含在正极(2)中的金属的盐的乙二醇基电解质溶液；‑固体和/或聚合物和/或凝胶类型的基质，适于保留所述电解质溶液，其中在所述电池中同时发生两个可逆反应：在所述负极(1)中发生包括在负极中的金属的离子的可逆沉积和溶解过程，并且在所述正极(2)中发生包括在正极中的金属的可逆离子交换过程，并且所述金属彼此不同。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.18 IT CR2014A0000121.一种可再充电的电化学金属离子电池，包括：-负极(阳极)(1)；-正极(阴极)(2)；-介于所述负极和所述正极之间的电解质体系(3)，其特征在于：-所述负极(1)包含至少一种能够释放和接受金属离子的金属；-所述正极(2)包含至少一种能够释放和接受与负极(1)金属离子不同的金属离子的化合物；-所述电解质体系(3)包括：-包括包含在负极(1)中的金属的盐和包含在正极(2)中的金属的盐的乙二醇基电解质溶液；-固体和/或聚合物和/或凝胶类型的基质，适于保留所述电解质溶液，其中在所述电池中同时发生两个可逆反应：在所述负极(1)中发生包括在负极中的金属的离子的可逆沉积和溶解过程，并且在所述正极(2)中发生包括在正极中的金属的可逆离子交换过程，并且所述金属彼此不同。2.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述负极(1)包括至少一种空气稳定的金属，没有进一步的保护。3.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述负极(1)包括锌片或钛化合物片。4.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述正极(2)包括涂覆在电子导电载体上的基于金属的化合物的膜。5.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述正极(2)包括能够释放锂离子或钠离子的化合物，只要前述化合物落入所述乙二醇类电解质介质的氧化稳定性区间。6.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述基质包括纤维素膜或无纺布膜、聚乙烯、聚丙烯或基于聚环氧乙烷(PEO)、聚乙二醇(PEG)、聚丙烯腈(PAN)的凝胶膜，其可保持所述乙二醇基电解质溶液。7....

【专利技术属性】
技术研发人员：布鲁诺·斯克罗沙廷，约瑟夫·阿松，
申请(专利权)人：SB太阳能责任有限公司，罗马智慧大学，
类型：发明
国别省市：意大利;IT